21. Ввод-вывод в операционной системе. Задачи программного обеспечения ввода-вывода. Программные уровни ввода-вывода. Задачи программного обеспечения ввода-вывода

Ключевая концепция разработки программного обеспечения ввода-вывода извес­тна как независимость от устройств. Эта концепция означает возможность напи­сания программ, способных получать доступ к любому устройству ввода-вывода, без предварительного указания конкретного устройства. Например, программа, читающая данные из входного файла, должна с одинаковым успехом работать с файлом на дискете, жестком диске или компакт-диске. При этом не должны требоваться какие-либо изменения в программе.Тесно связан с концепцией независимости от устройств принцип единообраз­ного именования. Имя файла или устройства должно быть просто текстовой стро­кой или целым числом и никоим образом не зависеть от физического устройства. В системе UNIX все диски могут быть произвольным образом интегрированы в иерархию файловой системы, так что пользователю не обязательно знать, какое имя какому устройству соответствует. Другим важным аспектом программного обеспечения ввода-вывода является обработка ошибок. Ошибки должны обрабатываться как можно ближе к аппа­ратуре. Если контроллер обнаружил ошибку чтения, он должен попытаться по возможности исправить эту ошибку сам. Если он не может это сделать, тогда эту ошибку должен обработать драйвер устройства, возможно, попытавшись прочитать этот блок еще раз. Многие ошибки бывают временными, как, например, ошибки чтения, вызванные пылинками на читающих головках. Такие ошибки часто исче­зают при повторной попытке чтения блока. Только если нижний уровень не мо­жет сам справиться с проблемой, о ней следует информировать верхний уровень. Во многих случаях восстановление после ошибок может осуществляться на ниж­нем уровне, прозрачно для верхних уровней, то есть так, что верхние уровни даже не будут знать о наличии ошибок.Еще одним ключевым вопросом является способ переноса данных: синхронный (блокирующий) против асинхронного (управляемого прерываниями). Большин­ство операций ввода-вывода на физическом уровне являются асинхронными — центральный процессор запускает перенос данных и отправляется заниматься чем-либо другим, пока не придет прерывание.Еще одним аспектом программного обеспечения ввода-вывода является буфе­ризация. Часто данные, поступающие с устройства, не могут быть сохранены сра­зу там, куда они в конечном итоге направляются. Например, когда пакет приходит по сети, операционная система не знает, куда его поместить, пока не будет изучено его содержимое, для чего этот пакет нужно где-то временно сохранить. Кроме того, для многих устройств реального времени крайне важными оказываются парамет­ры сроков поступления данных (например, для устройств воспроизведения циф­рового звука), поэтому полученные данные должны быть помещены в выходной буфер заранее, чтобы скорость, с которой эти данные получаются из буфера вос­производящей программой, не зависела от скорости заполнения буфера. Таким образом удается избежать неравномерности воспроизведения звука. Буферизация включает копирование данных в значительных количествах, что часто является основным фактором снижения производительности операций ввода-вывода.И последним понятием, которое мы упомянем здесь, является понятие выделен­ных устройств и устройств коллективного использования. С некоторыми устрой­ствами ввода-вывода, такими как диски, может одновременно работать большое количество пользователей. При этом не должно возникать проблем, если несколь­ко пользователей на одном и том же диске одновременно откроют файлы. Другие устройства, такие как накопители на магнитной ленте, должны предоставляться в монопольное владение одному пользователю, пока он не завершит свою рабо­ту с этим устройством. После этого накопитель может быть предоставлен другому пользователю. Если два или более пользователей одновременно станут писать впе­ремешку блоки на одну ленту, то ничего хорошего не получится. Введение поня­тия выделенных (монопольно используемых) устройств также привносит целый спектр проблем, например, как взаимоблокировки. Тем не менее, операционная система должна уметь управлять как устройствами общего доступа, так и выде­ленными устройствами, позволяя избегать различных потенциальных проблем.Программные уровни ввода-вывода.Программное обеспечение ввода-вывода обычно организуется в виде четырех уровней. У каждого уровня есть четко очерченная функ­ция, которую он должен выполнять, и строго определенный интерфейс с соседни­ми уровнями. Функции и интерфейсы уровней меняются от одной операционной системы к другой, поэтому последующее рассмотрение всех уровней, начиная с нижнего, не является специфичным для какой-либо конкретной машины.

Рис. 1. Программные уровни ввода-вывода